中国粉体网讯  多孔碳是一类具有孔结构的碳材料。与石墨、碳纳米管、富勒烯相同，多孔碳材料具备较好的稳定性、较高的导电性和较好的机械性能等优点。与石墨、碳纳米管、富勒烯不同的是，多孔碳材料的孔尺寸大小具有可调性。这类碳材料已经被应用于很多领域，例如，气体吸附、分离、存储、超级电容器等领域。

制备多孔碳的来源（碳前驱体）丰富，常见的有生物质、聚合物、含碳有机盐等。采用不同的合成方法可以制备出具有不同形貌、不同孔尺寸的多孔碳，这对多孔碳的性能会有很大的影响。

多孔碳材料的种类

根据国际纯粹与应用联合会（IUPAC）对孔尺寸的规定，可以将多孔碳划分为微孔碳、介孔碳、大孔碳。微孔碳是指其孔尺寸小于2 nm；介孔碳是指其孔尺寸大于2 nm同时小于50 nm；大孔碳是孔尺寸大于50 nm的材料。根据碳的来源，可以分为活性炭、金属有机骨架衍生碳、碳化有机盐衍生碳、生物质碳和多孔有机骨架衍生碳。

多孔碳材料的制备方法

采用不同的碳化方法制备出的多孔碳具有不同的形貌和结构，这些都会直接影响其应用。根据在碳化过程中是否添加活化剂，可将制备方法分为两种：

（1）直接在氮气或氩气氛围下碳化，不添加活化剂，为非活化法碳化法。这种制备多孔碳的方法相对简单、高效、环保，较为适合规模化制备多孔碳。但是缺点突出，产率低，且需要较高的温度，这势必会增加能源消耗，提高生产成本。

此法常见的碳化过程主要有以下几步，制备出多孔碳的前驱体（多孔有机骨架），设定碳化温度在相应的氛围下碳化。研究者尝试通入少量空气，这可以降低碳化温度。很多性能优异的多孔碳已经通过这种方法被制备出。

（2）添加活化剂碳化制备多孔碳。与第一种方法相比，活化碳化法碳化多孔有机骨架制备的多孔碳的BET比表面积相对较高，孔径分布相对更均一。

活化碳化法根据活化剂的种类的不同，可以分为物理活化法和化学活化法，需要时也可将物理与化学活化法相结合。常见的方法是将前驱体与活化剂混匀，然后碳化。这种制备方法相对产率高，所需要的碳化温度低，而且制备得到的碳材料比表面积高。但是需要用酸洗涤，除去残留在孔道中的杂质，防止颗粒较大的金属氧化物堵塞孔道，影响其实际的应用。

此方法的缺点是对设备腐蚀性很强，这无疑会增加应用成本。报道最多的活化剂是氢氧化钾，氯化锌、硝酸镁、氢氧化钠、柠檬酸钾等也有科研人员尝试使用。氢氧化钾制备多孔碳具有很多优点，具有相对较高的比表面积，产率较高，还可适度地制造出一些孔。

多孔碳的应用

（1）多孔碳在气体吸附、分离和存储领域的应用

化石燃料的燃烧引起了严重的环境污染以及能源短缺，给人类的生活造成了很大的影响，因此，解决环境污染和能源短缺迫在眉睫。温室气体的捕获与封存，以及开发利用H2、CH4等新型清洁能源是有效的方法，这就需要寻找高效的吸附剂。通过碳化多孔有机骨架制备出的多孔碳，具有孔径可调的特点，并且增强了材料表面的电场，在一定程度上增强主客体间的相互作用，从而提高主体材料的气体吸附性能。POFs衍生的多孔碳具有较高的比表面积等优点，使其可以应用于气体吸附、分离及存储。

（2）多孔碳材料在能量储存与转化领域的应用

超级电容器，是一种高效且无污染的储能设备，已经被用于通讯、交通以及航天航空领域，因为它具有功率密度高、充电速度快、能量转换效率高、使用寿命长、安全无污染的优点。电极材料作为超级电容器的关键组成，其性能的好坏，将会直接影响超级电容器的储能性能。近几十年，科研人员一直致力于研究将多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，同时科研人员发现，材料的比表面积和孔分布是影响超级电容器性能的关键。因此，设计并制备出具有高比表面积的多孔碳将会在该领域有广阔的应用前景。

参考来源：闫婷婷：多孔有机骨架及其衍生的多孔碳的制备和性能的研究，吉林大学博士论文

（中国粉体网编辑整理/平安）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！